Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde

Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde dienen zur Unterscheidung ob eine äussere Belastung in einem Bauteil aus Faserverbund zu einem Versagen führt oder nicht.

Aufgrund der Festigkeitsanisotrope von Faserkunststoffverbunden wird zwischen unterschiedlichen Versagensformen unterschieden. Es existieren eine Vielzahl von Kriterien, deren Anwendung vom zu berechnenden Problem abhängt. Die Ergebnisse der Kriterien unterscheiden sich oft erheblich. Im deutschsprachigen Raum wird mit der neuen VDI-Richtlinie 2014, Teil 3 der Versuch unternommen, ein einheitliches Berechnungsverfahren einzuführen.

Problematik
Bei metallischen Werkstoffen läuft der statische Festigkeitsnachweis oft über den Vergleich einer Vergleichsspannung (z.B. von Mises Spannung) mit einer aus dem einaxialen Zugversuch gewonnen Festigkeitsgrösse. Bei Faserkunststoffverbunden ist dieses Vorgehen nicht möglich, da in den unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich hohe Festigkeiten vorliegen. Es muss daher sehr genau zwischen äusserer Belastung und innerer Beanspruchung unterschieden werden. Zusätzlich gehen einige Kriterien davon aus, dass die Bruchwiderstände mit der Beanspruchungsart interagieren.

Die Berechnung der Bruchlast ist aufgrund von ungenauen Festigkeitskennwerte noch nicht mit der Genauigkeit wie bei metallischen Werkstoffen möglich. Die Festigkeiten in Faserkunststoffverbunden reagieren sehr empfindlich auf die Änderung der Fertigungsbedingungen. Des weiteren spielen Parameter, wie der Faservolumenanteil, die Temperatur, die Feuchte usw. eine wichtige Rolle. Der Einfluss von mikromechnischen Eigenspannungen so wie nichtlinearer Elastizität ist Stand der Forschung.

Festigkeitskennwerte können z.B. durch die Zug-Druck-Torsion-Prüfung (ZDT-Prüfung) gewonnen werden.


Einteilung der Bruchkriterien
Die Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde werden nach der Art des Versagens, das sie unterscheiden können, unterteilt.

Pauschale Kriterien können nur zwischen Versagen oder Nichtversagen unterscheiden. Sie treffen keine Aussage über die Art des eintretenden Bruchs. Erfahrene Konstrukteure können jedoch auch aus den pauschalen Kriteren auf die Bruchform schliessen.

Differenzierende Kriterien gelten nur für eine bestimmte Burchart, z.B. den Zwischenfaserbruch. Mit ihnen ist häufig eine Vorhersage unterschiedlicher Bruchformen möglich.